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工業設備及儀器儀表無線遠傳技術方案
閱讀：2156發布時間：2014-2-28
工業設備及儀器儀表無線遠傳技術方案
1.概述
企業信息化是增強企業競爭力的重要手段，實現工業企業信息化，將有效推動產業結構調整和產業優化升級，是促進經濟發展和社會信息化的重要基礎性工作。組建完整的信息化系統是信息化改造中*，而生產過程中對現場生產設備及儀器儀表的數據采集為制造執行系統和企業資源管理系統提供了基礎的數據源，是企業信息化的基礎。
目前工業現場數據采集的方法及接口都是多種多樣的，大體可以分為有線和無線兩類。有線方式主要包括Profibus-DP現場總線、RS-485等；無線方式主要有基于GPRS方式、基于Zigbee協議方式等。
普賽通信根據自身技術特點，提供一套無線遠傳技術方案，即基于普賽無線自組網絡的無線遠傳技術方案。在不影響現有生產設備正常工作的條件下完成對串口數據的采集及分析，提取用戶所需數據，并通過普賽傳輸無線網絡將數據送回數據服務器。無線組網設備由PT-10系列無線設備、無線路由器（可選）及基站組成，完成無線網絡的搭建，實現自組網絡。計算機數據接收軟件采用B/S結構，將收集數據存入數據庫，并提供瀏覽功能，方便用戶瀏覽數據。同時，該軟件可實現與其他軟件的接口，將數據送入其他系統中。
2、基于無線自組網的遠程傳輸技術
1、系統組成
①數據采集發送模塊（以下稱采集節點）。每臺工業設備（如流量計、控制柜等）上連接一個數據采集發送模塊，負責采集現場數據并通過無線發送出去。
②數據接收模塊（以下稱接收基站）。放置于控制監控中心，也可通過互聯網可直接將數據發送至遠端監控中心。
③路由模塊。可選配。在信號強度低、距離較遠或者其他影響信號傳輸情況下，可通過增加路由方式增強信號傳輸可靠性。
2、工作原理
數據采集模塊通過Modbus接口連接至設備，定時采集設備數據（間隔時間可由服務器），并通過無線方式向外發送，每個采集節點既可以在mesh網絡里進行數據傳輸，也可以作為其他節點傳輸路徑中的路由節點，并且可以通過無線方式接收服務器下發的控制命令（如開關閥門命令）。
數據接收設備接收到數據后通過標準接口將數據發送至監控中心計算機存儲，也可以通過互聯網發送至遠端控制中心。對于信號弱或者障礙物較多的情況，可以通過安裝無線路由器來實現區域的無線覆蓋，并提高傳輸穩定性與可靠性。
針對不同的需求，我公司提供兩種數據接收基站接入方式。
*種，針對需要在工業現場控制室監測數據的情況，數據接收設備提供標準RS-232串行接口或USB2.0接口直接連接至計算機，通過軟件實時監控設備狀態并且可以下發相關控制命令。遠端控制中心可以使用互聯網通過驗證的方式訪問控制室數據庫數據。
第二種，針對僅需要在遠端控制中心監測數據的情況，數據接收設備提供標準網口接口，使用TCP/IP協議直接將數據通過互聯網發送至遠端服務器，或者使用GPRS無線方式發送。
3、方案優點
①實時性強，可以持續讀取設備數據。
②效率高，從采集到統計均為自動完成，無需人工干預。
③零通信成本，無線采用免費頻段，無需注冊，無通訊費。
④采用自動跳頻技術，通訊穩定可靠，抗干擾能力強，可達到99.9%一次讀取成功率。
⑤網絡節點具有自組網特性，具有自動中繼鏈路功能，網絡覆蓋范圍廣。
⑥控制中心可通過無線設置采集頻率。
⑦良好的系統擴展性。當生產規模擴充時，相應地增加采集器、集中器的數量即可完成系統的擴展。
3、方案對比
1、無線方案與有線方案對比
有線方式 | 無線方式 | |
簡介 | 通過現場總線等方式，將數據傳輸到采集處，進行分析存儲。 | 使用無線傳輸方式，通過星形網絡或Mesh網絡傳輸數據。 |
傳輸速度 | 高速傳輸 | 較快，可滿足一般需求 |
傳輸可靠性 | 高 | 較高 |
施工難度 | 大。需要規劃布線、預設接口、線路檢測與線路擴容等工作。 | 小。只需要將無線采集模塊連接至設備即可。 |
施工成本 | 主要為布線費用及信號線成本。 | 無線采集模塊費用。 |
維護成本 | 工業現場環境惡劣時信號線容易出現故障，查詢難度大。 | 故障率低，出現故障時易查詢，一般帶故障報警功能。 |
2、多種無線方案對比
目前的工業無線通信網絡以點對點數據傳輸和星形網絡結構為主，網絡協議采用了主站輪詢各從站、從站依次上傳數據的方式，網絡在固定信道上進行傳輸。該方法存在以下問題：
●網絡不支持中繼傳輸。如果障礙物存在，就必須組成多個星形網絡，導致實現復雜，可靠性降低。
●功耗大，所有從站必須一直處于偵聽模式，不適合電池供電的場合。
●固定信道易受其他噪聲干擾，降低了可靠性。
普賽的無線網絡采用了基于多信道和時間同步的技術方案。在無線網絡中，每個節點按自己默認的偽隨機序列在多個信道上切換，同時將時間劃分為多個時間片，節點按預定的序列在每個超幀周期選擇不同的時間片在不同的信道蘇醒，而在其他時間片休眠。該技術的主要優勢是：
●多信道技術可以有效地避免在公用波段常見的單一信道干擾。由于采用了全部16個信道傳輸，鄰近節點可以在同一時間不同信道上通信，使得系統通信容量大大提高。
●時間同步技術使得通信時延可預測，可控制，并且減少了數據碰撞的概率。同時，由于節點之間可以同步地休眠和蘇醒，有效地降低了功耗并且實現了低功耗的路由器。
●可靠穩定的傳輸模式。所有節點同時維護多條通信路徑，一條路徑被阻斷后可以立即選用備選路徑傳輸。
該技術處于水平，目前像愛默生（Emerson）、霍尼韋爾（Honeywell）等自動化設備生產廠家都采納了類似的無線技術方案為他們的產品增加無線功能。我們致力于提高產品在工業環境下的可靠性、穩定性和抗干擾性，采用了冗余路徑、斷點重傳、端到端確認等多種技術達到工業無線組網的嚴格要求。在長期疲勞測試中，我們的網絡實現了99.9%以上的傳輸成功率。同時，在每30秒發送一次數據包的情況下，平均電流低至1.5毫安，在兩節5號電池供電的情況下可以連續工作至少三個月。
與其他方案相比，我們的方案特色與優勢：
普賽工業級無線傳感網 | Wi-Fi（802.11）網絡 | GPRS網絡 | Zigbee網絡 | |
通信運營費用 | 無（公用頻段） | 無（公用頻段） | 有（短信或GPRS網絡流量費） | 無（公用頻段） |
功耗 | 低（采用全網同步休眠技術，5號電池供電3-6個月） | 高（筆記本電池供電2-3小時） | 中（手機電池供電1-2天） | 5號電池高功耗路由器節點可供電2-3天，低功耗終端節點可供電6個月 |
可靠性 | 高（多信道傳輸，冗余路徑多次重傳，保證99.9%數據傳輸可靠性） | 一般 | 依賴于運營商網絡 | 弱（僅在單一信道組網，易受其他網絡干擾） |
組網能力 | 強（多跳中繼傳輸，自組網，自修復，可繞過障礙物、增加傳輸距離） | 弱（僅支持星型網絡結構） | 依賴于運營商網絡 | 網絡跳數及每跳節點數量需要事先確定 |
工作頻段 | 2.4GHz，800MHz、470MHz和433MHz等所有ISM免費頻段，根據客戶使用需求靈活配置 | 2.4GHz | 移動、聯通授權頻段 | 2.4GHz |
用戶定制性 | 節點有RS232，RS485，CAN總線接口，8路模擬I/O及8路數字I/O，可根據客戶要求實現數傳、采樣及控制功能 | 低 | 低 | 根據不同廠商而定 |
4、附錄：
1、縮略語
縮略語 | 英文全名 | 中文解釋 |
GPRS | General Packet Radio Service | 移動通信運營商利用無線控制信道提供的一種低速數據傳輸服務 |
2、術語/定義
無線自組網絡 | 無線自組網，或無線Mesh網絡，也稱為“多跳（multi-hop）”網絡，它是一種與傳統無線網絡*不同的新型無線網絡技術。在傳統的無線局域網(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網絡，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。這種結構的zui大好處在于：如果zui近的AP由于流量過大而導致擁塞的話，那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之zui近的下一個節點進行傳輸，直到到達zui終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。 |
Mesh接入點 | Mesh接入點提供了Mesh網絡與骨干網的鏈接。其他Mesh設備自動尋找到接入點的路由。 |
Mesh路由器 | Mesh網絡中提供多跳路由功能的設備。 |
RS-232接口 | 計算機串行通信口物理接口方式，實現外部設備與計算機之間的數據傳輸。 |
RS-485 | 數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。 |
Modbus | Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。 |
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